Resíduo Pó de Aciaria

Partindo-se de pesquisas prévias, investigou-se a utilização do pó de aciaria, resíduo sólido da produção de aço, como possível matéria-prima para confecção da estatueta O Laçador. O aço é, basicamente, uma liga metálica do tipo ferro-carbono com teor de carbono entre 0,008 e 2,14% (CALLISTER, 2006) e sua fabricação pode ser dividida em cinco etapas: preparação da carga, redução, refino, lingotamento e laminação (REMY, GAY, GONTHIER, 2002; ZANONI, 2004; METALLURGY, 2011), conforme ilustra a Figura 32 descrita a seguir:

Figura 32. Fluxo simplificado das cinco etapas da produção de aço: preparação da carga, redução, refino, lingotamento e laminação e, (a) sucata e gusa sólido como matérias-primas

da aciaria elétrica e (b) gusa líquido como matéria-prima da aciaria a oxigênio.

Fonte: adaptado de Instituto Aço Brasil (2012).

 Preparação da carga: o minério de ferro em estado de óxido é britado e aglomerado na planta de sinterização formando o sinter, enquanto na coqueria, o carvão mineral é destilado em coque.

 Redução: ocorre no Alto-Forno onde o ferro-gusa é obtido através da redução do oxigênio contido no minério de ferro pela combinação com o carbono contido no coque.

 Refino: ocorre na aciaria onde o ferro-gusa é transformado em aço, mediante a retirada de parte do carbono, do silício, do manganês, do fósforo e outras impurezas. Existem vários processos para produção de aço sendo a aciaria elétrica e a aciaria a oxigênio os mais utilizados:

▪ Na aciaria elétrica, o Forno Elétrico a Arco (Figura 33) recebe a carga fria, assim denominada porque é composta de sucata e ferro-gusa sólido (Figura 32.a), e opera pela formação de um arco elétrico entre três eletrodos de grafite e a carga fria que é então fundida em aço líquido.

Figura 33. Esquema ilustrativo de um Forno Elétrico a Arco.

Fonte: adaptado de Te Ara (2012).

▪ Na aciaria a oxigênio, o Forno Básico a Oxigênio recebe o ferro-gusa ainda líquido (Figura 32.b) e, através da injeção de oxigênio promove reações exotérmicas (oxidação do carbono e outros elementos) que dispensam fontes externas de calor. A aciaria a oxigênio que também é chamada aciaria LD ou ainda conversor LD.

A sigla LD refere-se às cidades austríacas de Linz e Donawitz onde este tipo de forno foi empregado pela primeria vez na década de 1950 (KHRUSHCHEV, 2007).

 Lingotamento: o aço refinado e líquido é resfriado e solidifica-se em moldes (lingotes) para então ser cortado em tarugos.

 Laminação: os tarugos são deformados e transformados em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, tubos, barras etc.

Conforme o processo de produção do aço, as usinas siderúrgicas podem ser classificadas como integradas quando operam as etapas de redução, refino, lingotamento e laminação ou semi-integradas quando operam somente nas etapas de refino, lingotamento e laminação (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2012). A aciaria a oxigênio que utiliza ferro-gusa líquido geralmente está presente nas usinas siderúrgicas integradas, enquanto a aciaria elétrica que utiliza o ferro-gusa sólido em pequenas usinas geralmente está presente nas usinas semi-integradas.

A aciaria elétrica, ou mais especificamente, o resíduo pó de aciaria (EAF dust, em inglês) retido nos filtros do sistema de exaustão do Forno Elétrico a Arco é objeto de estudo deste trabalho. Cabe esclarecer que o resíduo retido no sistema de lavagem dos gases na aciaria a oxigênio denomina-se lama de aciaria (steel sludge, em inglês) e que ambas as aciarias produzem um resíduo sobrenadante ao aço líquido denominado escória, agregado de diversos elementos que não interessam à produção do aço.

Na aciaria elétrica, a principal matéria-prima é a sucata ferrosa proveniente do rejeito industrial e da obsolescência de bens como automóveis, eletrodomésticos, máquinas, equipamentos, etc. O processo de seleção da sucata visa composição química compatível com o tipo de aço a ser produzido; limpeza e exclusão de materiais não ferrosos como borracha, areia, madeira; densidade entre 0,4 e 2,2 t/m³; baixo teor de contaminantes como cobre, níquel, enxofre, fósforo; fusibilidade;

semelhança entre as cargas e baixo custo. O segundo item da carga fria é o ferro-gusa sólido, como recurso para aporte do elemento ferro e em teores de até 30%. A cal (CaO), terceiro item da carga fria, é utilizada na proporção de cerca de 40 kg por tonelada de sucata ferrosa, sendo necessária para promover reações metalúrgicas de remoção de impurezas como fósforo e enxofre bem como reduzir o ataque químico da escória ao revestimento do refratário do forno (ZANONI, 2004).

As etapas do processamento do aço na aciaria elétrica podem ser divididas, segundo Zanoni (2004) e Votorantim Siderurgia (2012), em:

 Preparação da Carga: a sucata prensada e cortada é estratificada junto com o ferro-gusa e a cal no cesto que levará a carga fria para dentro do Forno Elétrico a Arco. A sucata mais leve é colocada como camada superior para facilitar a penetração dos eletrodos na carga no início da fusão.

 Carregamento do Forno Elétrico a Arco: esta etapa dá início à corrida do processo. A abóbada do forno é aberta, o cesto com a carga fria é colocado dentro do forno e aberto para permitir a saída da carga. O cesto é retirado, a abóbada é fechada e os eletrodos descem até a carga fria.

 Perfuração e Fusão da Carga: com os três eletrodos tocando a carga fria, o disjuntor do Forno Elétrico a Arco é acionado, energizando o transformador que desencadeia a ignição dos arcos entre os eletrodos e a fusão da carga fria. Para auxiliar a queda da sucata lateral são utilizadas lanças de oxigênio pela porta da escória ou por bicos injetores nas paredes laterais do forno.

Também são utilizados queimadores de gás ou óleo para ajudar na derrubada e fusão da carga. No final tem-se aço líquido e escória oxidante sobrenadante com impurezas como manganês, fósforo e enxofre.

 Refino Oxidante: a descarburação do aço líquido acontece pela injeção de óxidos formados retornem ao aço líquido.

 Refino Redutor ou Refino Secundário: pode ocorrer no Forno Elétrico a Arco ou no Forno Panela (Forno Elétrico a Arco de menor potência) onde ocorre a desoxidação, a dessulfuração, a adição de ligas metálicas para o ajuste da composição química conforme teor especificado pelo tipo de aço, bem como o ajuste da temperatura para o lingotamento.

 Vazamento: esta etapa finaliza a corrida do processo. O aço refinado e líquido é vazado em moldes de resfriamento (lingotes) para solidificar-se e ser cortado na forma de tarugos que são transportados para a laminação.

Pó de aciaria ou pó de exaustão é um resíduo sólido da indústria siderúrgica retido nos filtros do sistema de exaustão do Forno Elétrico a Arco durante a etapa de refino na aciaria elétrica. Para que ocorra a fusão da sucata com o ferro-gusa são necessárias temperaturas acima de 1600°C que causam também a volatilização de vários metais como ferro, zinco, chumbo, cádmio, cromo, manganês, entre outros.

Quando a temperatura diminiu na abóbada do forno e nos ductos de veiculação, o material volatilizado oxida e condensa, sendo mecanicamente transportado para os filtros do sistema de exaustão (NYIRENDA, 1991; VIGANO et al., 2004; MACHADO et al., 2006; LENZ e MARTINS, 2007).

Resíduos sólidos são definidos como:

Resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e economicamente inviável em face à melhor tecnologia disponível (ABNT NBR 10004:2004, p.1).

A ABNT NBR 10004:2004 classifica os resíduos sólidos em:

 Resíduos de Classe I – Perigosos: apresentam periculosidade (risco à saúde pública e ao meio ambiente) ou apresentam ao menos uma das seguintes características: inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade ou patogenicidade.

 Resíduos de Classe II – Não Perigosos: não apresentam periculosidade à saúde pública ou ao meio ambiente.

 Resíduos de Classe II A – Não Inertes: são aqueles resíduos que não se enquadram nas classificações de Classe I ou Classe II B, mas podem apresentar propriedades tais como combustibilidade, biodegrabilidade ou solubilidade em água.

 Resíduos de Classe II B – Inertes: quando submetidos ao ensaio de solubilização, conforme ABNT NBR 10006:2004, não apresentam nenhum de seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos valores constantes no anexo G da ABNT NBR 10004:2004.

O resíduo pó de aciaria é classificado como Classe I – Perigoso, conforme anexo B – Resíduos Perigosos de Fontes Específicas, da ABNT NBR 10004:2004.

Lê-se, neste anexo (p. 26), sob o código de identificação K061, a descrição que enquadra o pó de aciaria: “lodos e poeiras provenientes do sistema de controle de emissões de gases empregado na produção de aço primário em fornos elétricos”.

Considerando-se a característica de toxicidade, um resíduo é assim considerado quando, baseado em ensaio de lixiviação conforme ABNT NBR 10005:2004, o extrato de sua amostra contiver qualquer um dos contaminantes em concentração superior aos valores especificados no anexo F da ABNT 10004:2004.

A classificação do resíduo pó de aciaria como Classe I – Perigoso justifica-se porque este resíduo pode apresentar elementos como cádmio, chumbo e cromo em concentrações superiores aos limites permitidos pelo referido anexo.

Segundo esta classificação, o pó de aciaria deve ser obrigatoriamente depositado em Aterro Industrial (Aterro Classe I), construído e operado conforme especificações da ABNT NBR 10157:1987, o que resulta em um aumento de seis vezes nos custos de disposição final (HAGNI;HAGNI; DEMARS, 1991).

Em 2010, o Brasil produziu 32.928 milhões de toneladas de aço bruto dos quais 7.812 milhões de toneladas foram produzidas em aciaria elétrica, enquanto a produção mundial foi de 1.417.264 bilhão de toneladas de aço bruto, sendo 410.726 milhões de toneladas produzidas em aciaria elétrica (WORLD STEEL ASSOCIATION, 2012).

Youcai e Stanford (2000) referem que a produção de uma tonelada de aço no Forno Elétrico a Arco gera cerca de 10 a 15 kg do resíduo pó de aciaria, Machado et al. (2006) referem cerca de 12 a 14 kg deste resíduo por tonelada de aço, enquanto Palencia et al. (1999) encontraram a média de 17,5 kg. Outros estudos referem cerca de 15 a 20 kg de pó de aciaria por tonelada de aço produzida (HAGNI, HAGNI, DEMARS, 1991; LECLERC et al., 2002; SOFILIC et al., 2004; JANKE; SAVOV;

VOGEL, 2006; LAFOREST e DUCHESNES, 2006; SOUZA et al., 2010; MACHADO et al., 2011) e Gwézennec et al. (2005) referem de 15 a 25 kg deste resíduo por tonelada de aço produzida. Assim, considerando-se a média de 15 a 20 kg de pó de aciaria por tonelada de aço bruto produzido, a siderurgia brasileira gerou cerca de 117.180 a 156.240 toneladas de pó de aciaria em 2010.

A reutilização direta do pó de aciaria no processo siderúrgico ainda não é rotineira pois necessitaria a formação de material granulado, em equipamento

específico, a fim de viabilizar a manipulação do resíduo pulverulento, bem como tecnologia para exclusão e/ou tratamento das impurezas indesejáveis na aciaria (NYIRENDA, 1991; BERNARDES e BERNARDES, 2012).

Pesquisas de reaproveitamento do resíduo pó de aciaria têm sido realizadas e podem ser divididas em dois grupos: processo de recuperação dos metais e processo de estabilização dos elementos tóxicos. A recuperação de metais, mais comumente do zinco, elemento com valor econômico significativo usado no processo de galvanização do aço-carbono (MACHADO, 2006), ocorre através dos processos de pirometalurgia e hidrometalurgia (HAGNI et al., 1991). O processo de estabilização dos elementos tóxicos decorre da capacidade dos materiais cerâmicos de incorporação de outros materiais na matriz cerâmica, vítrea ou cimenteira, permitindo assim o reaproveitamento de diversos resíduos.

Os resíduos da aciaria ainda apresentam a vantagem de serem materiais fundentes (MENEZES et al., 2002, p. 305), ou seja, têm como principal característica

“produzir diminuição na temperatura de maturação do corpo cerâmico, possibilitando redução do consumo energético”, devido à presença do ferro e zinco (BRUGUERA, 1984; FOURNIER, 2000; MULLINGER e JENKINS, 2008).

Na revisão de pesquisas prévias, encontrou-se que Basegio et. al. (2012) incorporaram percentuais de 0%, 2% e 5% em peso de pó de aciaria em massa de cerâmica vermelha. Os corpos de prova foram conformados em prensa uniaxial com 20 MPa e a temperatura de queima foi 900°C, 950°C e 1000°C. Os resultados indicaram que o pó de aciaria contribui para o aumento da sinterabilidade do material. Os ensaios de lixiviação e solubilização indicaram inertização dos elementos tóxicos e os ensaios de avaliação dos efluentes gasosos não indicaram a presença de elementos tóxicos em quantidade potencionalmente perigosa.

Montedo et al. (2003) incorporaram percentuais de 0%, 2%, 3%, 5% e 10%

em peso de pó de aciaria em massa de cerâmica vermelha. Os corpos de prova foram extrusados a vácuo e a temperatura de queima foi 970°C. Os resultados obtidos também indicaram que o pó de aciaria contribui para o aumento da sinterabilidade do material. A incorporação de até 3% em peso do resíduo agregou ganhos nas características finais do produto, mas com 5% em peso do resíduo ocorreu o aparecimento de manchas superficiais no material sinterizado. A quantidade de 10% em peso do resíduo pode ser incorporada quando o produto for esmaltado, cobrindo assim as eflorescências (manchas na superfície da cerâmica).

Oliveira e Holanda (2004a) incorporaram resíduo sólido do setor siderúrgico, provavelmente pó de aciaria conforme composição química apresentada, nos percentuais de 0%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2%, 2,5% e 3% em peso do resíduo em argila caulinítica utilizada em cerâmica vermelha. Os corpos de prova foram extrusados a vácuo e as temperaturas de queima foram 850°C, 900°C, 950°C, 1000°C e 1050°C.

Os resultados obtidos não alteraram a coloração de queima da cerâmica e foram compatíveis com produtos de cerâmica vermelha como tijolos, blocos cerâmicos, lajotas e telhas. Nos ensaios de lixiviação e solubilização, Oliveira e Holanda (2004b) não encontraram nenhum risco ao meio ambiente.

Pelino et al. (2002) incorporaram até 50% em peso do resíduo pó de aciaria em matriz vítrea formada por sucata de vidro além de areia utilizada como fonte de óxido de silício. A vitrificação foi testada em cadinhos de alumina em temperaturas de 1450°C e 1500°C. Os autores concluíram que a estabilização através da vitrificação foi possível quando o teor de óxido de silício ficou acima de 33%.

Observa-se, na bibliografia consultada, que o resíduo pó de aciaria foi testado incorporado à cerâmica vermelha em baixa temperatura (a cerca de 1000°C) ou em vidro em alta temperatura (entre 1450°C e 1500°C), mas não foi testado quando incorporado à argila refratária na temperatura de 1220°C, condição que poderia resultar em produtos cerâmicos classificados como grês e porcelanato (Tabela 2).

Tabela 2. Comparação de trabalhos prévios com o presente trabalho em relação à quantidade de pó de aciaria incorporado em matéria-prima cerâmica.

Pesquisas Prévias e Basegio et al. (2012) até 5 900-1000 Cerâmica Vermelha Montedo et al. (2003) até 10 970 Cerâmica Vermelha Oliveira e Holanda (2004) até 3 850-1050 Cerâmica Vermelha

Pelino et al. (2002) até 50 1450-1500 Vidro

Presente Trabalho até 50 1220 Cerâmica Refratária

Produtos em cerâmica refratária do tipo grês e porcelanato podem apresentar suficiente resistência mecânica para confecção da estatueta O Laçador em temperaturas inferiores as exigidas pela porcelana, tipo de massa cerâmica bastante utilizada na fabricação de pequenas estatuetas ou bibelôs.

O capítulo seguinte descreve a metodologia utilizada no presente trabalho.

2 MATERIAIS E MÉTODOS